[发明专利]一种三维石墨烯二氧化锰纳米复合材料修饰电极的制备及其电容性能测试的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电容器电极，是一种超级电容器复合电极制备的方法及其电容性能测试方法。

背景技术

随着世界经济的高速发展，能源问题和环境污染问题已经成为影响各国经济发展的重要因素。新能源开发与能量存储都是迫切需要解决的国际性问题，超级电容器是一种具有很大应用前景的电化学储能器件，它具有充放电速率快，充放电电流密度大，循环寿命长和容量保持率高等优点。常用作超级电容器电极材料的有活性炭基材料（石墨稀、炭黑、活性碳、纳米碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管、有机碳化物等）、过渡金属氧化物(如氧化锰、氧化镍和氧化钴等)和导电聚合物，除此之外还包括各种二元或者三元复合材料。

碳糊电极是利用导电性的石墨粉与憎水性的粘合剂混制成糊状物，然后填充在电极管中而制成的一类碳电极。它具有制备简单、价格便宜、选择性好、灵敏度高、电位适用范围宽及表面易于更新等优点，室温离子液体是指在室温及邻近温度下完全由阴阳离子组成的液体物质，它具有电化学窗口宽、导电率高、热稳定性和化学稳定性好等优点。离子液体作为憎水性粘合剂与石墨粉混合制备离子液体修饰碳糊电极，离子液体的存在能够有效地改变电极的性能，既可以增加碳糊电极的稳定性，又可以增加导电效率。

超级电容器按储能机理可分为两种：一种是基于电极/电解液界面电荷分离所产生的双电层电容电容器，它多采用具有高比表面积的活性炭作电极材料；另外一种超级电容器不仅利用电极/电解液界面上的双电层电容，而且利用电极的表面及体相中发生的快速可逆的氧化还原反应形成法拉第赝电容。近年来，关于法拉第赝电容器的研究较多，多采用氧化钌、氧化铱等贵金属氧化物作电极材料，不易实现商品化。氧化镍、氧化钴和氧化锰等过渡金属氧化物有和RuO₂相似的性质，因此倍受研究人员的关注。

锰矿石在自然界中储量丰富，二氧化锰因为易于制备、造价低廉、较高的赝电容和环境友好性等特点受到了人们的广泛研究与应用。根据法拉第原理计算出的二氧化锰的理论比容量达到1370F/g，二氧化锰被认为是一种理想的金属氧化物电极材料，已经成为超级电容器中理想的电极材料之一。二氧化锰纳米材料的制备方法主要有：液相沉淀法，溶胶-凝胶法，电化学沉积法，模板法，低温固相法，水热法等。由于二氧化锰是半导体，具有较高的电阻率，其在电解液中发生氧化还原反应过程中电子传递电阻非常大，这个明显的缺点制约了二氧化锰在超级电容器材料中的使用，人们采用导电性较好的材料与其复合制备复合材料来增加导电性，克服高电阻率问题，从而改良电极材料的电容性质。

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的材料，具有较高的比表面积和高导电率及极佳的机械性能，因此使得基于石墨烯的材料成为极有前途的能量储存活性材料，尤其是作为双电层超级电容器的电极材料。石墨烯的制备方法主要有：物理方法，机械剥离法，化学气相沉积法，热膨胀剥离法，电化学法，氧化还原法等。三维石墨烯材料，在结构上不同于二维的石墨烯，它有效的客服了二维石墨烯易团聚，难分散，很难获得高比表面积的缺点，这使得它更适合作为双电层超级电容器的电极材料。三维石墨烯具有三维空心多孔网状结构，网壁为石墨烯，为层状结构的石墨以及多孔的石墨碳泡沫，具有超低密度表面积、高导热、耐高温、耐腐蚀、延展性、柔韧性好等优点。三维石墨烯与二氧化锰的复合物也表现出优良的电化学性能。通过三维石墨烯与二氧化锰纳米材料复合，可以有效提高二氧化锰纳米材料的导电性、扩大电压窗口并且最终提高二氧化锰纳米材料的利用率，将导致该复合电极材料具有更高的比电容、更高的功率密度和能量密度。

电化学沉积法是在含有要沉积的离子溶液中，通过改变电化学方法、改变电位或者沉积时间将被沉积的离子均匀的沉积在阴极或者阳极模板上。其最大优点是可以直接一步得到电极。还有以下优点如：通常情况，常温下就可以发生反应，反应温度低；通过监控转移的电荷数可以控制薄膜的厚度；其组成和缺陷可以控制；可以在各种复杂形状的基底上沉积薄膜；可以进行非平衡相的沉积；驱动力可以进行精确的控制；耗费小等优点。电化学沉积法根据沉积电压和电流方式的不同，可以分为：恒流电沉积法，恒压电沉积法，脉冲电沉积法，循环伏安法等；根据不同的复合手段又可以分为：喷射电沉积，复合电沉积，模板法电沉积。